基于ARM的体内碎石机的研制

2018-06-11李洪义

电子设计工程 2018年11期

李洪义

（西安外事学院陕西西安710077）

肝胆系结石为我国临床多发病，轻者引起疼痛、发炎等不适，重者可能导致肝脏及肾脏的致死性衰竭，危及生命，严重影响着人类的健康，长期以来是我国外科手术的重点之一[1]。

目前结石病的主要治疗手段除手术和药物治疗外，还包括体外冲击波碎石和体内冲击波碎石技术。上世纪八十年代开始的体外冲击波碎石术在临床应用上取得了一定的治疗效果，但仍有其的局限性。经体外冲击波碎石后残石率仍高达30%～96%[2-5]，需要在X光下定位，不能直接观察到结石，碎石能量不能很好的聚焦在结石上，必须要以较大能量反复冲击，对人体会造成一定的损伤，对肝胆系结石和其它大型结石碎石效果不理想。近年来随着内窥镜技术和微创手术技术的发展，体内碎石技术成为新的发展趋势。体内碎石可以在内窥镜下直接观察，定位准确；碎石能量直接作用于结石表面，能量小、聚焦集中，碎石效率高，对病人的冲击损伤小。

本文产品采用了在液体中低能量高压脉冲放电激发空化效应的原理，配合纤维内窥镜的引导，使微型放电电极在结石表面近距离释放能量，达到将人体内胆结石碎石的目的。

1　系统总体框图

1.1　工作原理

根据材料力学的基本原理，结石破坏有两种机制，一种可以采用大能量的冲击碎石，即冲击强度远大于结石破坏的极限强度；另一类则是低强度的缓慢冲击过程，即冲击强度约等于结石的极限强度。人体组织与结石在性质上存在着明显差异，人体组织近似为弹性体，能够承受较大的拉伸内应力，而结石则为脆性材料。由于结石的声阻抗不同于周围组织的声阻抗，当冲击波传播到结石前后界面时都要发生反射。根据声学原理，冲击波在结石前界面上作用为压力，当压力波穿过结石到达后界面时，由于从结石到周围液体或组织的声阻抗降低，就会产生反射张力波，在结石后界面表现为张力。当冲击波在结石前界面的压力与后界面张力之和大于结石本身的耐受强度极限时，冲击波的反复作用就会使结石从表面被逐层崩解和碎解。同时结石内部结构常常是较为稀疏而含有许多孔隙的，在孔隙中充满液体，假若在液体中含有空化核，则进入结石的冲击波和界面的反射就会激活空化核，产生空化现象，在空化过程的反复作用下，就会从破坏结石内部的基质开始而导致整个结石的疏松和碎裂。因此结石在不断的小能量的冲击下逐渐出现裂缝、开裂、破碎。

体内微爆破碎石机采用液体中高压放电产生等离子体效应的原理，将高压脉冲放电系统所产生的电脉冲，通过特定的放电电极，经内窥镜的引导，在注有生理盐水的结石表面进行近距离1～2 mm瞬间放电，在局部产生等离子体高压区，强烈扰动周围的液体媒质，形成一个跃变的间断面超声冲击波。利用冲击波在结石前后截面上的应力产生微爆破效应，所形成的声压压强绝大部分作用在结石上，最终将结石击碎。再通过内窥镜辅助设备将其取出或用生理盐水冲出体外，达到去除结石的目的。

1.2　结构框图

碎石机主要由高压直流电源、放电控制电路、放电电极、ARM控制器、A/D采集电路、人机界面、异常报警电路等部分组成，如图1所示。

图1　碎石机结构框图

高压直流电源产生所需要的治疗放电能量，并将有关数据通过A/D转换电路送入ARM控制器，且接受ARM控制器的放电能量调整。

放电控制电路在ARM控制器的控制下，将高压直流电转换为高压脉冲，通过放电电极在液体中放电，完成碎石工作。

ARM控制器负责碎石机的整体控制，通过人机界面完成碎石能量、放电脉冲模式等的设定，并监控碎石机工作状态，一旦出现异常情况，可通过异常报警电路产生声光报警信号。

2　系统硬件设计

2.1　ARM控制器

系统采用ARM9控制器，其核心芯片采用三星公司ARM9系列的S3C2410，具体电路设计为常规设计，不再详细阐述，可参考有关的文献[6-13]。

2.2　高压直流电源

高压直流电源由高压直流发生器和储能电容两部分组成。如图2所示。

图2　高压直流电源

高压直流发生器产生2千伏直流高压，通过K1、K2、K3、K4等开关对电容C1、C2、C3、C4充电，电容储存的电能即是放电脉冲的能量，由公式（1）确定：

式中，W为电容储存的电能，C为电容容量，U为电容电压[14]。

开关K的通断受ARM控制器的控制，通过不同开关的组合，即可产生所需要的放电能量。

2.3　放电控制电路

该电路核心部件为空气放电管，当触发脉冲来临时，放电管导通，电容上储存的电能通过放电电极在液体中瞬间放电，形成一个跃变的间断面超声冲击波，利用冲击波在结石前后截面上的应力产生微爆破效应，最终将结石击碎。

2.4　A/D电路

A/D电路用于检测电容电压是否正常，根据临床需要，只需要检测电容上是否有2千伏电压即可，不需要测量精确数值，故采用电压比较器构成1位A/D电路。本系统采用典型滞回比较器，其具体电路设计为常规设计，不再详细阐述。

2.5　人机界面

人机界面电路由液晶屏、按键、旋钮和声响电路组成，主要完成治疗所需的能量、电极、放电模式等的设置，以及报警信息显示。

图3为放电能量设置界面，在此状态下通过旋转面板上的能量调节旋钮，设定输出能量值从小到大共有8个档位，能量数值显示在屏幕中央。

图3　放电能量设置界面

图4为放电模式选择界面，通过上下键选择不同模式，共有4种模式可供选择，选中者显示黄色。

图4　放电模式选择界面

2.6　异常报警

碎石机设置有安全报警系统，如果在使用过程中出现过热、漏电、过欠压、能量预置与实际输出值不相符等现象，则系统能识别并立即报警，同时显示图5界面画面中显示的黄色条框即为该项报警，此时按照提示处理即可。

图5　报警提示界面

2.7　放电电极

电极采用并行排列的结构，可以使电极直径减小、韧性加强；通过采用内藏电极式绝缘帽，有效地控制了电极间的放电距离，使两电极间距离可调、极间的绝缘性加强。同时采用电极等量烧蚀技术，使得碎石能量可以更加准确集中的释放。

电极结构如图6所示。

图6　放电电极结构示意图

3　系统软件设计

碎石机控制软件采用嵌入式C语言编制，为方便软件的编写、调试和管理，采用模块式结构[15-18]。控制软件主要有主程序模块、能量选择模块、治疗模式选择模块和治疗模块。

3.1　主程序模块

主程序模块为系统的主控程序，通过调用各个功能模块，例如能量选择模块、治疗模式选择模块和治疗模块，实现系统功能。碎石机采用WENCE嵌入式系统作为操作系统，碎石机系统软件自动运行于操作系统下。其流程图如图7所示。

图7　主程序流程图

3.2　能量选择模块

能量选择模块主要功能是设置治疗所需的能量，通过面板上的旋钮来选择，从小到大共有8个档位，能量数值显示在屏幕中央。其流程图如图8所示。

3.3　治疗模式选择模块

图8　能量选择模块流程图

治疗模式选择模块主要功能是设置治疗过程中的放电模式，共有4种模式可供选择，通过上下按键选择不同模式。4种模式分别是：单次放电、双击放电、四连击放电和变频连续脉冲放电。医生可根据治疗需求选用其中一种。需要特别指出，变频连续脉冲放电方式输出碎石脉冲，实际应用的结果表明，对临床常见的结石，只需2到3次放电即可击碎结石，大大提高了碎石率。该方式被命名为OOD（面向对象的）治疗模式。其流程图如图9所示。